一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法

文档序号:248345阅读:230来源:国知局
一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法
【专利摘要】本发明公开了一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法,它是采用高25cm、直径12cm的塑料花盆,将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部,每个容器共称重2kg基质园土,园土中分别加入基质园土重量的1-5%的改性纳米碳;分别播种高羊茅种子4.5g;实验期间每天定时定量给水,满足植物生长所需,在实验室内进行植物培养,培养期间温度为25-34℃,相对湿度为31%-48%,光照条件为自然入射光,实验历时120d;实验开始前分离、鉴定供试土壤中线虫种类及数量作为线虫本底数据,4个月后,分离鉴定各处理线虫的种类及数量。
【专利说明】一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境保护【技术领域】,涉及城市绿化,特别是一种改性纳米碳对草坪土壤基质线虫多样性的调控方法。
【背景技术】
[0002]碳黑是生物体或化石原料的挥发成分在不完全燃烧或高温热解时转化而成的,是气态过程的产物。通常情况下,碳黑为多孔性的纳米材料,直径为30~50 nm,具有大的比表面积和高的活性点位。[0003]在20世纪80年代,全球每年产生的碳黑大约在50_270Tg (Tg=IO12g)左右,其中大约80%是源于燃烧。大部分的碳黑直接进入土壤,逐渐积累,成为土壤有机质的重要组分,另一部分被风扬起到大气中。由于碳黑的惰性,其沉积期后受到光化学反应和微生物作用是很小的。这意味着碳黑可以长期存在于环境中,对于地球上缓慢循环的碳库来说,具有重要的贡献。
[0004]纳米碳的吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要发生在纳米碳丰富的微孔中,用于去除水和空气中的杂质,这些杂质的分子直径必须小于纳米碳的孔径,化学吸附主要是由于纳米碳的表面含有官能团,与被吸附的物质发生化学反应。介质中的杂质通过物理吸附和化学吸附不断进入纳米碳的多孔结构中使纳米碳吸附饱和,吸附效果下降。吸附饱和后的纳米碳需要进行活化再生,恢复其吸附能力,重复使用,吸附容量越大,吸附效果就越好。目前普遍认为纳米碳是有机污染物的超强吸附剂。它能够强烈吸附多环芳烃、多氯联苯、多氯代二苯并二恶英、多氯代二苯并呋喃和多溴联苯醚、农药敌草隆、3—氯酚和菲等各种有机污染物。事实上,纳米碳对重金属也有一定的吸附作用。吴成等发现碳黑能够强烈吸附Hg2+、As3+、Pb2+和Cd2+,且对Pb2+最大吸附量远大于对其他几种重金属。Qiu等(2008)将麦草和稻草秸杆燃烧形成的碳黑与商业活性碳比较发现,碳黑对Pb2+的吸附能力更强。可见,纳米碳目前在环境领域,多应用于环境修复中。到目前为止,将纳米碳作为修复材料用于堆肥草坪基质的技术还尚无文献报道。
[0005]在纳米产品的生产使用和处理过程中,其独特的物理化学属性将可能给生态环境带来难以预料的影响,社会各界在肯定纳米材料正面效益的同时,对其可能的负面环境影响和生态效应也在给予越来越多的关注。2003年以来,Science,Nature等著名杂志先后刊登了评论员文章,呼吁加强纳米材料的环境行为和生态效应研究。2005年,美国、英国等国的环保部门制订并启动了纳米材料环境行为生态效应的研究计划。
[0006]纳米颗粒的毒性研究最早集中在对比研究纳米尺度和微米尺度的颗粒物对各种模型生物急性毒性和急性反应的差异上。研究发现,即使颗粒物组成相同,纳米尺寸的颗粒物也会表现出与大尺度颗粒物不一样的毒性。在以前的毒性研究中,常用的模型生物包括细菌、藻类、鱼类、浮游动物、哺乳动物细胞株等。Fan等(2011)的研究表明,在铜的安全浓度范围内,纳米TiO2能显著增加铜离子对大型潘的毒性,纳米尺度颗粒物会严重影响着细胞,亚细胞和蛋白质的生理活性,甚至会造成细胞的死亡纳米颗粒的危害主要包括以下几个方面:进入并沉积到相应细胞(神经细胞、肝细胞等)内,蛋白质变性及其酶活降低,基因毒性DNA突变和细胞膜损伤,氧化应激压力,线粒体损伤,影响功能蛋白的表达和免疫力等。纳米颗粒物对环境中微生物群落结构及功能方面的研究较少。Tong等(2007)首次利用PCR - DGGE评价了纳米颗粒物C6tl对土壤中的厌氧微生物菌落结构和功能的影响,研究发现,土壤厌氧微生物经过180d的暴露实验,微生物群落的结构和功能并没有发生显著的变化;然而,由于微生物对某一种物质在厌氧条件下的代谢所需时间很长,因此相关研究还需要一个长期的观测过程;另一方面,C6tl对微生物群落结构和功能的影响不能外推到其他纳米颗粒物和其他微生物群落,不同纳米颗粒物对微生物的毒性有较大区别。
[0007]因此纳米碳虽然对重金属有一定的钝化作用,但是其修复重金属后带来的生态环境风险则相伴而来。无论纳米碳是随着雨水渗入到土壤中还是直接添加到土壤中进行重金属修复,对土壤健康都会造成一定的影响。土壤健康通常定义为土壤生态系统维持生物生产力、改善环境质量和促进动植物健康机能的能力,它深刻地影响植物、动物和人类的健康,并决定着农业的可持续性发展和未来的环境质量。评价土壤健康通常使用物理、化学或生物指标,而土壤生物作为土壤中最具生命力的部分,能有效地评价土壤的活力和健康状况。土壤动物中的主要类群,如原生动物、线虫、弹尾虫、蚯蚓等,在土壤有机质分解、养分循环、改善土壤结构、影响植物生产力和演替中具有重要作用,并经常被作为指示生物进行研究。
[0008]线虫(nematode)是土壤动物中数量和功能类群最丰富的一类,土壤中的数量惊人,每平方米可高达30 000 000条。线虫作为全球最丰富的后生动物,广泛存在于各种生境,营养类群多样,是土壤指示生物中的典型代表与其它土壤生物比较,线虫作为土壤健康指示生物,有以下几方面优势:1)线虫是土壤生物的优势类群,在每平方米土壤中可达数百万条,且无论健康还是污染土壤中都有线虫分布,可以反映土壤环境的细微变化;2)从土壤中将线虫分离出来较容易,其定量分离方法已十分成熟,分离效率可达到97%~99% ;3)其科、属鉴定相对其它土壤动物来讲较为简单,且其科、属水平的群落结构分析已经可以用于土壤健康评估;4)线虫生活于土壤间隙水中,与环境直接接触,移动速度缓慢,可反映小尺度土壤微生境的变化;5)`线虫世代周期较短,一般为数天或几个月,可在短时间内对环境变化作出响应;6)线虫食性多样,在土壤食物网中扮演重要角色,其营养类群结构的变化与土壤生态系统过程。
[0009]不同环境条件及管理措施下土壤线虫群落变化的研究在国外得到重视。此外,线虫不仅在维持土壤生态系统稳定,促进物质循环和能量流动等方面发挥着重要作用,而且,由于其具有生存和适应能力强对环境变化敏感提取与鉴定比较简单实验周期短等诸多优点,目前已成为生态毒理学首选的模式生物之一,被用来揭示土壤污染状况和评价土壤环
境质量。
[0010]本实验通过研究在草坪建植体系中施加不同改性纳米碳,对植物生长及草坪土壤线虫在改性纳米碳处理后数量、科属分类、营养类群的变化,从土壤线虫的角度阐明改性纳米碳对土壤生态过程及线虫生物群落多样性产生的影响,从而为草坪建植体系正确选取改性纳米碳的种类、添加比例以及防虫提供科学依据。

【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种纳米碳对草坪土壤基质中线虫不同形态的调控方法。本发明经过4个月观察发现,改性纳米碳应用后的土壤中线虫总数较本底土壤均有降低趋势,以添加5%的改性纳米碳最为显著。
[0012]为实现上述目的,本发明提供如下的技术方案:
一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法,其特征在于按如下的步骤进行:
(1)材料的处理:
采集的土壤样品过2 mm筛混匀备用;土壤性质为:pH 7.44,有机质含量4.68,全氮
0.21%,全磷22.03 mg.kg—1,饱和含水量0.58 mL.g_S 土壤样品过2 mm筛混匀备用; 草坪植物选用高羊茅arundinacea L );
纳米碳粒径20-70 nm,比表面积为1.2 X IO5 m2.1^,ρΗ值为7,施用前对其进行改性,分别得到KMn04、H2SO4或HNO3改性的纳米碳;
(2)实验方法:
1)实验采用高25cm、直径12 cm的塑料花盆,将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部,每个容器共称重2 kg基质园土,园土中分别加入基质园土重量的1-5%的改性纳米碳;分别播种高羊茅种子4.5 g;所述的改性纳米碳指的是H2SO4、KMnO4或HNO3
2)实验期间每天定时定量给水,满足植物生长所需,在实验室内进行植物培养,培养期间温度为25-34°C,相对湿度为31%-48%,光照条件为自然入射光,实验历时120 d ;
3)在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割,留I cm茬,实验结束时进行第二次刈害I]。实验开始前分离、鉴定供试土壤中线虫种类及数量作为线虫本底数据,4个月后,分离鉴定各处理线虫的种类及数量。
[0013]其中基质园土中分别加入1%,3%,5%的H2SO4改性纳米碳;分别加入1%,3%,5%的HNO3改性纳米碳;分别加入1%,3%,5%的KMnO4改性纳米碳。
[0014]本发明进一步公开了改性改性纳米碳对草坪土壤线虫多样性的调控方法,在降低土壤中线虫总数方面的应用;所述的改性纳米碳指的是添加5%的改性纳米碳。
[0015]本发明通过试验所达到的结论:改性纳米碳应用土壤后,土壤的线虫总数较本底土壤均有降低趋势。
[0016]本发明更加详细的制备方法如下:
I材料与方法
1.1实验材料
供试土壤样品取自天津师范大学院内。土壤深度为0-20 Cm,采集的土壤样品过2 mm筛混匀备用。土壤性质为:pH 7.44,有机质含量4.68,全氮0.21%,全磷22.03 mg.kg_S饱和含水量0.58 mL.g_\ 土壤样品过2 mm筛混匀备用。草坪植物选用高羊茅arundinacea L )。供试纳米碳购于天津市秋实碳黑厂,粒径20-70 nm,比表面积为1.2 X IO5m2.kg_\ pH值为7,施用前对其进行改性。
[0017]1.2改性纳米碳的制备
KMnO4改性:称取纳米碳10 g于250 mL锥形瓶中,加入100 mL0.03 mo l.l-1的KMnO4溶液,静置10 min后,放于万用电热器上沸腾回流I h。冷却后,用去离子水反复冲洗,使溶液不再浑浊且PH稳定。转移至烧杯,110°C条件下烘干至恒重。
[0018]H2SO4改性:称取10 g纳米碳加入到250 mL 20%的H2SO4溶液中,在110 °C条件下加热90 min。冷却后,用去离子水反复冲洗,使溶液不再浑浊且pH稳定。在110°C条件下烘干至恒重。
[0019]HNO3改性:称取10 g纳米碳加入到150 mL 65%的硝酸溶液中,置于通风橱的加热板上110 °(:氧化反应2 ho冷却后,用去离子水反复冲洗,使溶液不再浑浊且pH稳定。在110°C条件下烘干至恒重。
[0020]1.3实验设计
实验方法:
1)实验采用高25Cm、直径12 cm的塑料花盆,将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部,每个容器共称重2 kg园土基质,园土中分别加入1%,3%,5%的H2SO4、KMnO4、HNO3改性纳米碳;分别播种高羊茅种子4.5 g ;
2)实验期间每天定时定量给水,满足植物生长所需,在实验室内进行植物培养,培养期间温度为25-34°C,相对湿度为31%-48%,光照条件为自然入射光,实验历时120 d ;
3)在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割,留I cm茬。实验结束时进行第二次刈害I]。实验开始前分离、鉴定供试土壤中线虫种类及数量作为线虫本底数据。4个月后,分离鉴定各处理线虫的种类及数量,以期了解改性纳米碳应用于草坪建植体系重金属修复对土壤线虫的影响。
[0021]1.4 土壤线虫的分离、鉴定方法
每个土样称取50 g,采用淘洗-过筛-蔗糖离心法分离线虫。依据土壤湿度,将土壤线虫种群数量折算成每50 g干土含有线虫的头数。
[0022]根据线虫的头部形态学特征和取食生境将土壤线虫分成以下4个营养类群:食细菌类、食真菌类、植物寄生类和捕食/杂食类。线虫分类鉴定到科属水平。线虫相对多度(RA % )采用三级分类制:“ + + +”代表RA % > 10,为优势属;“ + + ”代表1≤RA% ≤ 10,为常见属;“ +”代表RA %〈 I,为稀有属采用土壤线虫生态学者普遍应用的多样性指数来度量土壤线虫群落多样性。
[0023]三个基本的量化指标分别为:N为所鉴定的个体数目;S为鉴定分类单元的数目,某一给定的分类单元可以看作是第i个分类单元;Pi为第i个分类单元中个体所占的比例。根据上述三个指标可以计算以下基本指数:
多样性指数(Diversity) H’ = -ΣPiIn Pi 均匀度指数(Evenness) J = H,/H,max,其中 H,max = InS 丰富度指数(Richness) SR = (S-1)/ InN 优势度指数(Dominance) λ = XPi2
1.5数据统计方法
文中数据都是3次重复 的平均值以及标准差,采用SPSS 11.5软件对所得数据进行比较均值中的单因素ANOVA统计分析。
[0024]2研制结果分析
2.1本底土壤线虫数量、科属分类及营养类群
实验开始前对供试土壤线虫的数量及科属分类进行了记录,共观测到土壤线虫线虫总数1217.7条,11科22属,其中植物寄生类群的螺旋属是优势属,相对多度占土壤线虫的78.56%。本底土壤每100 g干土中线虫数量为0.3~956.58条,。其中数量最少的属为丽突属,最多的为螺旋属。在本底土壤线虫群落营养类群中,植物寄生类群绝对丰度最高,杂食-捕食类群绝对丰度最低。说明本底土壤线虫中对植物危害最大的寄生类线虫占优势。
[0025]表1本底土壤中线虫密度(个/100 g 土)、群落组成、相对丰度(RA,%)和优势度
【权利要求】
1.一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法,其特征在于按如下的步骤进行: (1)材料的处理: 采集土壤样品过2 mm筛混匀备用; 草坪植物选用高羊茅arundinacea L );纳米碳粒径20-70 nm,比表面积为1.2 X IO5 m2.kg_\ pH值为7,施用前对其进行改性,分别得到KMn04、H2SO4或HNO3改性的纳米碳; (2)实验方法: 1)实验采用高25cm、直径12 cm的塑料花盆,将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部,每个容器共称重2 kg基质园土,园土中分别加入基质园土重量的1-5%的改性纳米碳;分别播种高羊茅种子4.5 g;所述的改性纳米碳指的是H2SO4、KMnO4或HNO3 2)实验期间每天定时定量给水,满足植物生长所需,在实验室内进行植物培养,培养期间温度为25-34°C,相对湿度为31%-48%,光照条件为自然入射光,实验历时120 d ; 3)在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割,留I cm茬,实验结束时进行刈割二茬草; 实验开始前分离、鉴定供试土壤中线虫种类及数量作为线虫本底数据,4个月后,分离鉴定各处理线 虫的种类及数量。
2.权利要求1所述的制备方法,其中基质园土中分别加入1%,3%,5%的H2SO4改性纳米碳;分别加入1%,3%,5%的HNO3改性纳米碳;分别加入1%,3%,5%的KMnO4改性纳米碳。
3.权利要求1所述改性改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法在降低土壤中线虫总数方面的应用;所述的改性纳米碳指的是添加5%的改性纳米碳。
【文档编号】A01G7/00GK103814744SQ201410087025
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】多立安, 赵树兰, 贺璐 申请人:天津师范大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1